深抽杆式泵的改进设计与应用

李 军，付小坤,2，付 鹏，付天明，陈启龙，郭 斌，谷 旭

1中石化西北油田分公司 2西南石油大学 3中石化中原石油工程有限公司

0 引言

塔河油田主要为碳酸盐岩缝洞型油藏，油藏埋藏深，随着油田逐渐开发，地层能量逐渐下降，机采井井数不断增加，泵挂逐渐加深，杆式泵因下深最大可达4 000 m而被广泛应用，已在塔河油田应用500余井次。但随着深抽、注水、注气工作的大规模开展，井况愈加恶劣，导致常规杆式泵问题逐渐凸显[1-10]，每年因杆式泵卡泵、凡尔漏失、解封困难及泵座损伤造成的修井达60井次，严重影响了生产时效，增加了采油成本。为此，在原有常规杆式泵的基础上，研制了一种易解封防漏防卡深抽杆式泵，该工艺解决了杆式泵易卡泵、凡尔易漏失、解封困难、泵座损伤漏失等问题，满足现场生产需求，延长了油井的生产周期。

1 改进设计

1.1 总体结构

该深抽杆式泵主要由泵筒总成、柱塞总成、球阀总成、泵座总成构成，具体结构示意图见图1。

1.阀杆异径接头；2.阀杆导向套；3.泵座；4.支撑密封总成；5.阀杆；6.解封接头；7.上部加长短接；8.出油阀；9.长泵筒；10.短柱塞；11.出油阀；12.下部加长短接；13、14.固定阀。

(1)泵体。由泵筒总成和柱塞总成组成。泵筒总成由阀杆导向套、顶部密封支撑总成、弹性锁爪、解封接头、上下加长短接及双进油阀通过螺纹依次连接组成；柱塞总成由阀杆接头、阀杆、上游动阀罩、上下出油阀以及柱塞通过螺纹依次连接组成。

(2)泵座总成。由上接头、支撑座封环、下接头通过螺纹依次连接组成，具体结构示意图见图2。

图2 泵座总成结构图

(3)泵筒与泵座之间通过顶部锁紧支撑总成上的弹性锁爪与上部泵座卡紧锁死，使泵体在正常工作时不与外工作筒脱开。

1.2 关键部件改进

(1)杆式泵的锁爪坐封面倒角由60°改为45°，改变解封时锁爪的受力状态，减小了在起泵时脱卸力，使杆式泵解封更容易，有利于防止支撑座封环在起泵作业时被拉裂，降低因杆式泵不能解封和泵座座封环裂导致的检泵作业，锁爪坐封倒角改进示意图如图3所示。

1.阀杆导向套；2.过液通道；3.支撑密封环；4.锁爪；5.机锁芯轴；6.机锁接头；7.支撑皮碗；8.皮碗座圈；9.皮碗压帽；10.解封接头；11.短接；12.上接头；13.支撑座封环；14.下接头；15.阀杆；16.上游动阀罩。

(2)泵座钢圈由24 mm加高至34 mm，间隙配合改为过盈配合，即座封环外径由9 mm扩大至9.5 mm,泵座材质由45#钢改进为P110材质，抗拉强度由30 t上升到90 t；降低零件硬度(硬度降低7 HRC)，减少因硬度过高导致的断裂；提高强度，降低坐封、解封时钢圈破损风险，有效减少泵座钢圈漏失导致的检泵井次。

(3)将杆式泵的单固定阀改为双固定阀，起到双保险作用，并将不锈钢材质的阀球、阀座全部改为碳化钛合金球、碳化钨合金座，表面硬度由200 HV提高至1 620 HV,提高阀球、阀座耐磨性和抗冲击性能，降低固定阀漏失的风险。

(4)软密封由后置型改为前置型，避免出现软密封经过泵座被剪切后掉落，因抽汲作用进入泵筒，卡于阀座处，导致阀漏失的情况；在密封皮碗材料中添加玻璃纤维和碳粉，改善其抗剪切性能，提高坐封的可靠性。

(5)泵出液口由斜口改为直口[11-14]，出液口处沉物空间由0.01 L扩大为0.14 L，降低泵上部油管异物沉降进入泵筒造成的卡泵风险，见图4。

1.出液口；2.上接头；3.支撑密封环；4.下接头；5.阀杆导向套；6.皮碗压帽；7.皮碗座圈；8.支撑皮碗；9.机锁心轴；10.锁爪；11.机锁接头。

(6)上游动阀总成整体式阀罩改成通径分体式阀罩，结构强度提高50%;游动阀罩斜面角度由15°上升到45°，增大解封杆式泵时接触面轴向分力，降低卡泵风险，具体结构如图5所示。

1.阀杆导向套；2.过液通道；3.支撑密封环；4.锁爪；5.机锁芯轴；6.机锁接头；7.支撑皮碗；8.皮碗座圈；9.皮碗压帽；10.解封接头；11.短接；12.上接头；13.支撑座封环；14.下接头；15.阀杆；16.上游动阀罩。

(7)改进解封接头材质，采用不锈钢材质，硬度23～28 HRC，使解封接头和游动阀罩二者硬度接近，避免低硬度材质发生形变。

1.3 改进后的工作原理

先将上接箍、支承管和锁紧密封支承接头连接在油管下，随油管下入到油井中预定深度，然后将泵筒和柱塞总成连接在抽油杆柱下端下入到油管内，泵体随抽油杆下到泵座处时，支撑锁爪受压形变收缩，在泵座钢圈处形成锁紧力，软密封胶筒发生塑性形变，形成二次密封，硬密封靠金属密封锥面形成密封，泵体座封在油管上的支承位置后,调整好各项作业参数，即可正常起抽生产。

与常规杆式泵工作原理相同，上冲程时，抽油杆带动柱塞向上运动，固定阀阀球在沉没压力的作用下打开，井筒内液体由固定阀进入泵筒内，游动阀的阀球在柱塞上部液柱的作用下关闭，将液体排出泵筒，通过油管进入井口管道。下冲程时，柱塞随抽油杆向下运动，泵腔内液体受压、压力逐渐升高，游动阀被顶开，固定阀关闭，由固定阀进泵筒内的液体通过游动阀进入柱塞上部空间。当泵体出现故障时，只需要将泵体提出进行更换，大大降低作业成本。

2 现场应用

截至2021年4月，易解封防漏防卡深抽杆式泵已在塔河油田应用68井次，现场应用效果较好，最大下深4 013 m，平均泵挂3 642 m，平均生产时间693 d，最长达1 346 d，无因杆式泵故障导致检泵，提高了油井生产时效，大大节约了采油成本。

TK1井2016年5月自喷转机抽生产，完井下入普通Ø44 mm杆式泵，泵挂2 714 m，日平均产液量39.1 t，产油量25.3 t，含水率35.3%；2017年6月因卡泵进行上修作业，检泵起出杆式泵，泵筒内有较多腐蚀物，导致柱塞卡死在泵筒里。2018年7月修井下入Ø38 mm易解封防漏防卡杆式泵，泵挂3 915 m，目前日平均产液量27.3 t,日均产油量12.07 t，含水率55.8%，该井周期注水注气8次，重复解封、坐封8次，解封、坐封均正常，生产期间未发生过卡泵等异常，示功图如图6，平均泵效73.5%，高于塔河油田平均泵效，已累计增油1.32×104t，达到了防漏防卡等工艺目的。

图6 修井后正常生产示功图

3 结论及认识

(1)易解封防漏防卡杆式泵解决了普通杆式泵易卡泵、解封困难、阀漏失及泵座钢圈易损坏等难题，提高了杆式泵的服役时间，满足现场生产需求。

(2)易解封防漏防卡杆式泵采用顶部座封结构，承载能力强，满足塔河油田的深抽需求。

(3)易解封防漏防卡杆式泵结构简单，现场作业操作方便，应用效果明显，具有很高的推广价值。